Modelado molecular de aditivos formadores de puentes de hidrógeno para OPV

Cañadilla Castillo, Eva Ángela (2019). Modelado molecular de aditivos formadores de puentes de hidrógeno para OPV. Thesis (Master thesis), E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Modelado molecular de aditivos formadores de puentes de hidrógeno para OPV
Author/s:
  • Cañadilla Castillo, Eva Ángela
Contributor/s:
  • León Cabanillas, Salvador
Item Type: Thesis (Master thesis)
Masters title: Ingeniería Química
Date: September 2019
Subjects:
Freetext Keywords: Puente de hidrógeno, OPV, Energía de enlace, Simulación cuántica, Dinámica molecular. Física. Química física. Química-física de polímeros. Física del estado sólido. Semiconductores.
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Química Industrial y del Medio Ambiente
Creative Commons Licenses: Recognition - Non commercial - Share

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Abstract

En el complejo PEDOT:PSS las cadenas de PEDOT (catiónicas) se incorporan a una matriz de PSS (aniónica) donde las cargas individuales se compensan de forma global, dando lugar a un sistema neutro. La premisa de la que parte este trabajo es que la conductividad de este complejo puede verse mejorada cuando se modifica su estructura tras la adición de distintos tipos de solventes, de tal manera que las cadenas de PEDOT y PSS se segreguen, debido a la formación de puentes de hidrógeno entre el solvente añadido y el PSS, lo que provocaría además el apilamiento de las moléculas de PEDOT. Esta mejora de la conductividad del complejo PEDOT:PSS podría hacer que este material pudiera utilizarse como polímero semiconductor en paneles fotovoltaicos orgánicos (OPV), sustituyendo a los materiales metálicos que componen los mismos. En este Trabajo de Fin de Máster se presenta el estudio de la formación de puentes de hidrógeno aplicando métodos cuánticos y de mecánica molecular en sistemas compuestos por el complejo PEDOT:PSS y distintas moléculas de solventes orgánicos en base al análisis de distintos parámetros. Los objetivos perseguidos han sido evaluar y predecir la formación y las características de los puentes de hidrógeno formados en un sistema compuesto por el complejo PEDOT:PSS empleando en este estudio como solventes orgánicos tres moléculas distintas de alcohol: etanol, propanol y etilenglicol. El análisis de los distintos parámetros que se han evaluado en este trabajo se ha realizado a partir del estado final de distintas simulaciones realizadas a los tres diferentes sistemas contemplados (según la molécula de alcohol que se evalúe en cada uno). Dichas simulaciones se han llevado a cabo mediante distintas herramientas que emplean métodos computacionales, tanto métodos cuánticos como aquellos que emplean la dinámica molecular, a fin de estudiar y predecir la formación de puentes de hidrógeno en su orientación más adecuada, así como para confirmar esta hipótesis en una fase condensada de dicho sistema con una proporción determinada de moléculas de alcohol y de PEDOT:PSS. En cuanto al procedimiento llevado a cabo para la consecución de los objetivos propuestos, en primer lugar, se ha realizado un estudio cuántico de la energía del puente de hidrógeno formado entre el hidrógeno del grupo hidroxilo de una molécula de alcohol y uno de los oxígenos de una molécula de toluensulfonato (TS). Este estudio ha comprendido dos distintas morfologías en cuanto a la orientación de la molécula de alcohol respecto a la de TS: frontal y lateral (ver Figura 26 y Figura 27). El resultado obtenido ha sido el perfil energético del enlace de puente de hidrógeno formado entre las dos moléculas anteriores en función de la distancia entre ellas, donde se evalúan distintos parámetros del puente de hidrógeno formado en el punto donde la energía relativa es máxima (energía del puente de hidrógeno, distancia donor-aceptor y ángulo del puente de hidrógeno) y se comparan con bibliografía relacionada para contrastar su validez. A continuación, a partir de la configuración donde se obtiene el punto de mínima energía (donde mayor fuerza habría de aplicarse para romper el puente de hidrógeno) del perfil energético en las dos orientaciones evaluadas se realizan dos nuevos análisis donde se evalúan de nuevo los parámetros del puente de hidrógeno. El primero de ellos consiste en aplicar una relajación completa al sistema, eliminando la restricción de distancia fija entre las dos moléculas necesaria para la obtención del perfil energético. El segundo análisis ha consistido en la evaluación del puente de hidrógeno formado entre la molécula de alcohol y el ácido p-toluensulfónico (APTS). Una vez realizadas las simulaciones cuánticas donde se ha podido comprobar preliminarmente la formación de enlaces de puente de hidrógeno entre el grupo hidroxilo del alcohol correspondiente y las moléculas de TS y APTS, lo siguiente que se evalúa es el resultado de una dinámica de producción de una fase condensada compuesta por 64 cadenas de PEDOT, 32 cadenas de PSS y 116 moléculas del alcohol correspondiente. El objetivo de realizar el análisis de la dinámica de producción es obtener los valores de distintos parámetros y la evolución de los mismos en un periodo de tiempo determinado, en función de los cambios de trayectoria u orientación experimentados por las moléculas que lo componen bajo unas condiciones fijadas previamente. Los parámetros analizados en la dinámica de producción han sido varios. El primer parámetro evaluado y analizado en la dinámica de producción ha sido la distancia entre extremos de cadena de las cadenas de PEDOT, donde se evalúa si éstas mantienen su estructura plana o si, por el contrario, se ve afectada su forma. En segundo lugar, se obtiene la función de distribución radial del sistema PEDOT:PSS-Alcohol, a fin de medir la probabilidad de que unas moléculas del sistema se sitúen próximas a otras a una distancia determinada. También se ha evaluado la distribución de la orientación, por medio del parámetro de forma ‘S’ y de un gráfico de contorno. Este análisis proporciona información sobre la orientación de las cadenas que PEDOT del sistema, a fin de comprobar su estado de agregación o ‘stacking’ (apilamiento). El último análisis realizado ha sido aquel en el que se ha contado el número de puentes de hidrógeno formado entre las moléculas de alcohol y aquellas con grupos electronegativos, donde el puente de hidrógeno de principal interés es aquel formado entre el hidrógeno del grupo hidroxilo del alcohol y cualquiera de los oxígenos del PSS. Los resultados obtenidos en todos los análisis cuánticos realizados toman unos valores que se encuentran comprendidos en aquellos para los cuales la formación de un puente de hidrógeno es factible, por lo que se consideran unos resultados válidos y fiables. En cuanto a los resultados de la dinámica de producción, también se consideran válidos al haberse realizado este análisis con un sistema neutro y a temperatura ambiente.

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Item ID: 57593
DC Identifier: http://oa.upm.es/57593/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57593
Deposited by: Eva Ángela Cañadilla Castillo
Deposited on: 07 Jan 2020 08:11
Last Modified: 07 Jan 2020 08:11
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